電力自動化的通信網絡分析研究論文

摘要：通信網絡是變電站自動化系統的關鍵。分析了變電站自動化系統中通信網的特點與要求，給出了LonWorks現場總線和嵌入式以太網兩種通信方案，並對這兩種方案作了分析比較。

關鍵詞：變電站自動化；現場總線；嵌入式技術；以太網

1 引言

變電站自動化技術在我國發展很快，目前新建的變電站絕大多數都採用了綜合自動化技術，很多老變電站也在進行改造。這種自動化系統與常規變電站系統相比，最大的特點就是站內通信能力強。從90年代初變電站內開始搞綜合自動化，先後出現過幾類通信方案。最初用RS485總線將保護設備聯在一起，用主從方式通信，這種方式較簡單，實際上是串行點對點通信，技術上缺陷很多。後來各種現場總線技術被引入國內，由於其具有簡單易用、組網方便、抗干擾能力強等特點，很快被電力自動化設備業界採用，以構成變電站內的通信網。現場總線種類較多，用得較多的是LonWorks和CAN。用現場總線來做通信網，從工程實踐來看是較成功的。但隨着變電站自動化從以前的35kV、110kV等中、低壓變電站向220kV、330kV甚至500kV高壓、超高壓大型變電站發展，現場總線的一些侷限性逐漸暴露出來，不能滿足高壓、超高壓大型變電站自動化系統的要求。隨着計算機軟、硬件技術的發展，工業控制領域出現了嵌入式技術。這使設計者在設計變電站自動化系統內部通信網時有了新的選擇，利用嵌入式技術的軟、硬件，設計者可以在單片機系統上實現以太網技術。目前國外一些著名大公司已利用嵌入式技術將以太網接口做在保護裝置中，這樣各保護裝置就可以用以太網連成一個自動化系統了。以太網具有網絡速度快，帶寬較寬，與後臺監控PC機、工作站等接口方便的特點，能夠滿足大型高壓變電站自動化系統對通信網的要求。這在國外已有工程實例。本文將介紹兩種站內通信網方案，一是LonWorks現場總線網，二是嵌入式以太網。這兩種網的技術原理很多資料已有介紹，本文不再重複，而是直接說明如何應用。

2 LonWorks現場總線網方案

如圖1所示，變電站內部有兩個LonWorks網絡，分別爲監控網和錄波網。監控網用來傳送各種控制和狀態信息，錄波網則傳送電力系統故障錄波信息。網絡的通信速率爲78kB／s，最大通信距離爲2km，通信介質爲屏蔽雙絞線或光纖。每個保護裝置都帶有LonWorks網絡接口，後臺機、工程師站、遠動機等PC機上均插有PCLTA卡，於是保護裝置和PC機就可以聯到LonWorks網上。圖1所示的方案簡單、方便可靠，適合於中、低壓變電站自動化系統。它已成功地用於很多35kV、110kV變電站。但當用於220kV及以上的大型高壓變電站時，由於網絡節點增多，網絡流量增大，78kB／s網絡帶寬就顯得不夠了，特別是當多個保護同時動作時，網上衝突加劇，重發次數增多，通信效率降低。因此，這種方案不適合於大型高壓變電站。

3 嵌入式以太網方案

3．1 系統配置

如圖2所示，站內有3個相互獨立的光纖以太網，網絡1、2爲監控網，網絡3爲錄波網。考慮到大型高壓變電站都是以間隔爲單元組屏和設備的向下兼容性及有關國際發展趨勢，因此沒有用嵌入式以太網完全替代LonWorks現場總線網，而是將站內通信網設計爲兩層，間隔以上用10MB／s嵌入式以太網構成站內通信的主幹網絡，負責後臺機、遠動機等PC機和各間隔進行通信。在間隔內部則用Lon－Works現場總線網把各保護裝置聯在一起。Lon－Works網上的信息通過間隔層的測控單元上傳到主幹網上。最低層的各種保護設備可不作任何改動，保持了向下兼容性。這種方案實際上將嵌入式以太網與LonWorks現場總線技術相結合，發揮了各自的優勢。圖2 以太網、LonWorks網相結合方案系統配置圖 3．2 測控單元

由上可見，測控單元是整個方案的核心與關鍵。圖3給出了測控單元的簡圖。其中Neuron芯片作爲CPU的通信處理器完成LonWorks網絡的通信任務，利用它可與保護裝置通信。CPU選用了32b單片機，CPU部分採用了嵌入式軟件設計，利用實時多任務操作系統及TCP／IP模塊，完成以太網的通信與測控任務，CPU與Neuron芯片之間以SlaveB並口方式交換信息。測控單元以LonWorks網與四方公司製造的保護裝置相聯，用RS485、RS232與其他廠家製造的保護裝置相聯。

圖3 測控單元示意圖

4 兩種方案的比較與分析

（1）方案1中只有LonWorks一層網絡，站內的幾十個保護裝置均聯其上。因此網上節點多、流量大，而帶寬卻只有78kB／s。在多臺保護同時動作等特殊情況下，網絡負載突然加重，這時會出現較嚴重的網絡衝突現象，報文的重發次數增多，網絡通信效率降低。方案2中有兩層網，主幹網的帶寬已達10MB／s，雖然間隔內的LonWorks網絡仍爲78kB／s帶寬，但其上所聯節點的數目卻大大減少，只有幾臺。於是LonWorks的網絡負載極輕，即使在各臺保護同時動作的特殊情況下，通信效率仍很高。而當信息傳到主幹網後，由於主幹網帶寬很寬，站內那些流量對其而言仍屬輕負載，以太網在輕負載時效率極高，因此方案2能滿足變電站自動化系統的要求，並留有餘地。（2）故障錄波數據上傳速度大大加快LonWorks網主要支持幀長爲幾十B的短幀，當傳送錄波數據時，效率較低，耗時較多，以太網支持最長可達1500B的長幀，因此方案2中錄波數據的傳輸效率大大增強。（3）與PC機接口

PC機須用PCLTA卡等專用板卡與LonWorks網絡接口，這些板卡由於是專用品所以較貴，PC機臺數增多時，PC機用廉價的以太網卡就可聯到以太網上，因此方案2中的PC接口更方便、更廉價。（4）易於與廣域網相聯

由於以太網使用開放式的TCP／IP協議，所以可以較爲方便地與廣域網相聯。（5）易於與國際標準接軌

目前IEC正在制定有關變電站自動化系統的內部通信協議體系，其目的在於使不同廠商的產品有互操作性，這個標準目前還沒有公佈，我們從有關介紹中瞭解到它是一個分層的網絡，主幹網就是10MB／s以太網。因此，當IEC標準公佈後，我們只須將系統內部軟件重新處理，方案2就能較容易地與IEC國際標準接軌。

5 內部通信網的傳輸實時性分析

網絡傳輸的實時性是變電站自動化系統內部通信網的關鍵指標。方案2中有兩層網，即間隔內部的LonWorks網絡和間隔以上的以太網。

首先分析間隔內部LonWorks網絡的實時性。LonWorks網絡通過網絡變量來實現節點之間的通信，不同的網絡變量可以設置成不同的優先級，這樣開關變位等重要信息就可用優先級高的'網絡變量優先傳輸。LonWorks網絡以這種方式保證網絡傳輸的實時性。LonWorks網絡在CSC2000變電站自動化系統已經用了400多套，根據應用經驗：當站內節點數不超過40時，LonWorks網絡的實時性是很好的；當節點數目再多時可將一個網分成不同的子網以保證網絡傳輸的實時性。在方案2中，間隔內部的LonWorks網絡節點數一般不超過10，因此Lon－Works網絡上的負荷是很低的。在這種情況下，間隔內部LonWorks網絡的傳輸實時性是有絕對保證的。

以太網雖然沒有LonWorks網絡或CAN總線的優先級設置，但其帶寬到達10MB／s，因此可承受的網絡負荷很大。研究表明，當網絡負荷不超過帶寬的37％時，網絡上的衝突率很低，以太網的傳輸效率是有保證的［1］。實際上變電站自動化系統內部若使用合理的通信規約和合理的傳輸模式，其網絡負荷與帶寬10MB／s的37％相比是很低的，網絡衝突率極低。美國電力研究院（EPRI）在制定UCA通信協議體系時，對以太網用於變電站自動化系統中的網絡傳輸實時性作了研究分析，結果表明當使用交換式集線器時，10MB／s以太網是完全可以滿足實時性要求的［2］。國際大電網會議（CIGRE）的第35工作組也對以太網在電力系統中應用的實時性問題作了研究，得出了與美國電力研究院相同的結論［3～5］。因此，選擇10MB／s以太網作爲變電站自動化系統的內部通信網，其網絡傳輸實時性是有保證的。需要注意的是，必須使用交換式基線器。實際上國外已經推出不少使用以太網的變電站自動化系統，如美國GE－Harris公司的PowerComm系統、美國GE公司的變電站自動化系統、日本東芝公司的高壓變電站分佈式測控系統等。

從上述討論可以看出，方案2中提出的兩層網設計其網絡傳輸實時性是有保證的。

6 結束語

本文給出了適合於不同規模和電壓等級的變電站自動化系統內部通信網方案，介紹了嵌入式以太網技術，並對兩種方案作了分析和比較，最後對所提方案的網絡傳輸實時性作了分析。

參考文獻：

［1］ TanenbaumAS．計算機網絡［M］．北京：清華大學出版社1998．

［2］ EPRIUCACommunicationArchitecture1997．

［3］ CIGREWG35．07．Transmissionofreal－timedatawithaguaran－ teedQoSusingIPtechnology［S］．Electra，1997，（173）．

［4］ CIGREWG35．07．ImplementationofanIPnetworkforthetransmissionofpowerutilityreal－timedata．Electra，1997， （176）．

［5］ CIGREWG35．07．IntegrationofservicesonIPnetworks，Elec－ tra．1997，（174）．

［6］ ZackerCraig．TCP／IP網絡管理［M］．北京：中國水利水電出版社，1998．